כיצד דיודות מונעות מתאי שמש לפרוק בלילה?

1, עקרון טכני: בניית מוליכות חד כיוונית של מחסום אנרגיה
המאפיין המרכזי של דיודה הוא המוליכות החד-כיוונית שלה - היא מאפשרת רק לזרם לזרום מהאנודה (A) לקתודה (K), ומציגה מצב התנגדות גבוה במתח הפוך. מאפיין זה יוצר שתי הגנות מפתח במערכות אנרגיה סולארית:
מנגנון נגד טעינה הפוכה (חסימה).
כאשר המתח של הפאנל הסולארי בלילה נמוך מזה של הסוללה, ללא אמצעי הגנה, הזרם יוצר מעגל מהסוללה דרך הפאנל, וכתוצאה מכך אובדן אנרגיה של הסוללה. דיודת החסימה (כגון דיודת Schottky) המחוברת בסדרה בין הפאנל הסולארי לסוללה מנותקת תחת מתח הפוך, וחוסמת את הזרימה ההפוכה של הזרם. לדוגמה, במערכת אנרגיה סולארית מסוימת של 12V, נעשה שימוש בדיודות SS14 Schottky (עמידות במתח 40V, זרם נקוב 1A), עם ירידת מתח קדימה של 0.2V בלבד וזרם דליפה הפוך.<0.1 μ A, which can effectively prevent the backflow of 0.5A level current at night.
הגנה על אפקט נקודה חמה
בסצנות חסומות חלקית, תאי הסוללה המעורפלים הופכים לעומסים עקב חוסר יכולתם לייצר חשמל, והמתח הגבוה של תאים רגילים אחרים עלול לגרום להם להתמוטט, וכתוצאה מכך לטמפרטורות גבוהות מקומיות (נקודות חמות). דיודת המעקף (כגון דיודת מיישר 1N4007) המחוברת במקביל בשני הקצוות של מודול הסוללה מוליכה בהטיה הפוכה כדי לקצר-את הרכיב הפגום ולהימנע מהשפעת נקודה חמה. נתוני הבדיקה של סוג מסוים של מודול סוללה 60 תאים מראים שכאשר דיודת המעקף אינה מותקנת, חסימה מקומית גורמת לטמפרטורה של המודול לעלות ל-85 מעלות, בעוד שלאחר ההתקנה, הטמפרטורה נשלטת בתוך 45 מעלות.
2, תרחיש יישום: כיסוי מלא ממערכות עצמאיות ועד לארכיטקטורות מחוברות לרשת
הפונקציה נגד פריקה של דיודות עוברת דרך יישום התרחיש המלא של מערכות אנרגיה סולארית:
מערכת פוטו-וולטאית עצמאית
במערכות עצמאיות כמו אספקת חשמל ופנסי רחוב סולאריים באזורים מרוחקים, דיודות חסימה הן קו ההגנה האחרון למניעת פריקת יתר של הסוללה. לדוגמה, פרויקט תאורת רחוב סולארית במחוז צ'ינגהאי משתמש ב-18650 ערכות סוללות ליתיום (מתח נומינלי 3.7V), ובקר הטעינה משלב דיודות SS16 Schottky. בשבעה ימים רצופים של מזג אוויר גשום, מתח הסוללה יורד רק ב-0.3V, וזמן אספקת החשמל הרציף של המערכת מתארך ב-40%.
מערכת פוטו-וולטאית מחוברת לרשת-
בתחנות כוח קרקע גדולות, דיודות חוסמות והתקני אנטי-זרימה חוזרים פועלים יחד כדי למנוע זרימת זרם חזרה למערך הפוטו-וולטאי במהלך תקלות ברשת. תחנת כוח פוטו-וולטאית בהספק של 50MW בגרמניה מאמצת עיצוב מודולרי, עם 20 מודולים המחוברים בסדרה ובדיודות חסימה מקבילות. כאשר רשת החשמל מנותקת, זמן התגובה של המערכת הוא פחות מ-10ms, ובכך למעשה נמנע נזק לציוד.
מערכת אנרגיה ניידת
בתרחישים דינמיים כמו מל"טים המונעים על ידי שמש ופוטו-וולטאים מותקנים ברכב, דיודות צריכות להסתגל לסביבות קשות כמו רטט ותנודות טמפרטורה. הרובר של NASA Perseverance משתמש בדיודות מוקשחות בקרינה, עם זמן התאוששות הפוך של פחות מ-50ns בטווח הטמפרטורות של -120 מעלות עד +80 מעלות, מה שמבטיח יציבות בניהול האנרגיה במהלך מחזור הלילה של הלילה של מאדים.
3, בחירת מכשיר: אומנות האיזון בין ביצועים לעלות
הבחירה של דיודות דורשת התייחסות מקיפה של פרמטרים חשמליים, יכולת הסתגלות סביבתית ומחיר-יעילות:
אופטימיזציה של ירידת לחץ קדימה (Vf)
ירידת המתח של דיודות חסימה משפיעה ישירות על יעילות המערכת. אם ניקח לדוגמא מערכת פוטו-וולטאית של 100W, כאשר משתמשים בדיודות סיליקון רגילות (Vf=0.7V), ההפסד היומי מגיע ל-0.7Wh; לאחר המעבר לדיודות Schottky (Vf=0.3V), ההפסד יורד ל-0.3Wh, חוסך כ-10.95kWh של חשמל בשנה. נכון לעכשיו, דיודות שוטקי של סיליקון קרביד (SiC) (Vf=0.15V) נכנסו לשלב המסחרי, אך העלות שלהן היא פי 3-5 מזו של מכשירים מבוססי-סיליקון, מה שהופך אותן למתאימות לתרחישים בעלי ערך גבוה.
עיצוב מיותר של מתח עמידה לאחור (Vr) וקיבולת זרם (אם)
טווח התנודות של מתח הפעולה של מערכות פוטו-וולטאיות הוא בדרך כלל ± 20%, ויש לבחור דיודות עם Vr גדול או שווה ל-1.5 מהמתח הגבוה ביותר של המערכת. לדוגמה, מערכת 24V צריכה להשתמש במכשירים עם Vr גדול מ-40V או שווה ל-40V. מבחינת קיבולת הזרם, דיודות חסימה צריכות לעמוד ב-1.2-פי 1.5 מזרם הקצר, בעוד שדיודות עוקפות צריכות להתאים פי 1.1 מזרם המוצא המרבי של הרכיב.
פיצוי מאפיין טמפרטורה
הפרמטרים של הדיודה משתנים באופן משמעותי עם הטמפרטורה. אם ניקח לדוגמא את דיודה 1N5819 Schottky, Vf=0.3V ב-25 מעלות ועולה ל-0.5V ב--40 מעלות, מה שמקשה על ההתחלה בטמפרטורות נמוכות. הפתרון כולל: שימוש במעגל פיצוי טמפרטורה להתאמה דינמית של מתח ההטיה, או בחירת התקנים עם מאפייני טמפרטורה נמוכה אופטימלית (כגון STPS20L45CT).
4, תרגול בתעשייה: מתצורה סטנדרטית לשדרוג חכם
תעשיית הפוטו-וולטאים העולמית יצרה פתרון סטנדרטי עבור יישומי דיודות וממשיכה להתפתח לקראת מודיעין:
הטרנד של עיצוב משולב
מודולים פוטו-וולטאיים מודרניים כוללים בדרך כלל דיודות עוקפות-מובנות, עם תצורה טיפוסית של דיודה אחת המחוברת במקביל לכל 18-24 תאי סוללה. מודול ה-Hi-MO 6 האחרון מבית Longi Green Energy מאמץ עיצוב מפוצל של 6 יחידות, המשלב 3 דיודות עוקפות, ומפחית את אובדן הכוח מ-15% לפחות מ-5% בהצללת צל.
חדשנות של בקרים חכמים
בקר ה-MPPT מהדור החדש משלב מעגל אנלוגי ניתן לתכנות של דיודה ומשיג מפל מתח אפס וטעינה אנטי הפוכה באמצעות MOSFET. לאחר אימוץ הטכנולוגיה הזו, הממירים מסדרת Huawei SUN2000 שיפרו את יעילות המערכת ב-1.2% והגדילו את ייצור החשמל השנתי בכ-140 קוט"ש/קוט"ש.
פריצת דרך בחומרים חדשים
דיודת הקרינה התרמית שפותחה על ידי אוניברסיטת ניו סאות' ויילס באוסטרליה משיגה התאוששות אנרגיה לילית באמצעות הפקת חשמל בהפרשי טמפרטורה. נתוני הבדיקה מראים שתחת הפרש טמפרטורה של 20 מעלות, הספק המוצא של צינור בודד מגיע ל-64nW/cm ², מה שמספק עתודות טכניות למערכות פוטו-וולטאיות עתידיות בכל-מזג האוויר.